CZ2020381A3 - Usměrňovač průtoku plynu v ohybu proudění u ultrazvukového plynoměru - Google Patents

Abstract

Usměrňovač průtoku plynu v ohybu (1) proudění u ultrazvukového průtokoměru, u kterého je ve vnitřním prostoru (5) ohybu proudění umístěna alespoň jedna dělící podélná lamela (2). Ohyb (1) proudění je opatřen vstupním zakřiveným úsekem (6), středním rovným úsekem (7) a výstupním zakřiveným úsekem (8), přičemž osy vstupního zakřiveného úseku (6) a výstupního zakřiveného úseku (8) jsou v rovnoběžném směru a navazují na otvor potrubí průtokoměru o světlosti DN, přičemž Reynoldsovo číslo pro potrubí o světlosti DN je vyšší než 2320.

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká usměrňovače průtoku plynu v ohybu proudění, tj. segmentu, oblouku, či kolenu ap., kde se ohýbá směr průtoku plynu, před nebo za měřicí částí. Toto řešení se používá pň měření plynů pomocí ultrazvukových plynoměrů, zejména v distribuci zemního plynu.

Dosavadní stav techniky

V současné době jsou všechny usměrňovače průtoku plynu umístěny v rovném potrubí před ultrazvukovým plynoměrem. Měření pomocí ultrazvukových senzorů probíhá v určité vzdálenosti od tohoto usměrňovače, poté co dojde k ustálení průtoku. Jakýkoliv ohyb způsobí poruchy průtoku, které mají negativní vliv na přesnost měření ultrazvukových plynoměrů.

Neexistuje usměrňovač pro ultrazvukový plynoměr, který by bylo možné umístit v ohybu proudění plynu.

Mezi hlavními nevýhodami současných usměrňovačů pro ultrazvukové plynoměry je to, že mohou být použity pouze v rovném potrubí a měřicí úsek s ultrazvukovými senzory musí být umístěn v určité vzdálenosti za usměrňovačem. Stávající usměrňovače způsobují velkou tlakovou ztrátu a dochází k jejich zanášení pomocí různých nečistot, zejména v jejich malých otvorech. U stávajících usměrňovačů se jedná o drahou, obvykle kusovou výrobu. Stávající usměrňovače nejsou obvykle umístěny přímo v tělese plynoměru, ale v určité vzdálenosti před plynoměrem, až 10 DN. Jakýkoliv ohyb mezi usměrňovačem průtoku a měřicím úsekem způsobí velké poruchy průtoku, tj. vznik vírů, které mají negativní vliv na přesnost a rozsah měření.

Existuje řada konstrukčních řešení usměrňovačů průtoku pro ultrazvukové plynoměry, z nichž nej rozšířenější je usměrňovač ve tvaru perforované desky, umístěný v určité vzdálenosti před měřicím úsekem s ultrazvukovými snímači. Tento usměrňovač vyvine tzv. „laminámí rychlostní profil“. Tento laminámí rychlostní profil je vhodný pro měření na velkých dimenzích potrubí, při velkém tlaku a průtoku. Ultrazvukový plynoměr, který je určen pro měření na laminámím profilu musí mít velké množství ultrazvukových senzorů. Takováto konstrukce ultrazvukového plynoměru je drahá a vhodná pouze pro velké průměry potrubí.

Z technické praxe jsou známy různé další typy usměrňovačů průtoku. Jedná se zejména o Zankerův usměrňovač proudění, deskový Zankerův usměrňovač proudění, Sprekleho usměrňovač proudění, Gallagherův usměrňovač proudění, K-Lab NOVA usměrňovač proudění, NEL (Spearmanův) usměrňovač proudění aj. Výše uvedené usměrňovače proudění mají velkou tlakovou ztrátu, musí být umístěny v rovném potrubí před ultrazvukovým plynoměrem a jejich výroba je složitá a drahá.

Princip ultrazvukového plynoměru je založen naměření rychlosti ultrazvukových vln, tj. signálů, ve směru a v protisměru proudění plynu. Ultrazvukové senzory jsou umístěny šikmo k ose potrubí a zjišťuje se čas průtoku mezi vysílačem a přijímačem signálu. Vlivem proudícího plynu dochází k urychlení nebo zpomalení ultrazvukových signálů. Z rozdílných časů se zjistí střední rychlost proudění plynu případně průtok, nebo proteklé množství.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny usměrňovačem průtoku plynu v ohybu proudění, jako je segment, oblouk, nebo koleno, u ultrazvukového průtokoměru, podle tohoto

-1 CZ 2020 - 381 A3 vynálezu. Jeho podstatou je to, že ve vnitřním prostoru ohybu proudění je umístěna alespoň jedna dělicí podélná lamela. Reynoldsovo číslo pro potrubí o světlosti DN je vyšší než 2320.

Ohyb proudění je s výhodou opatřen vstupním zakřiveným úsekem, středním rovným úsekem a výstupním zakřiveným úsekem, přičemž osy vstupního zakřiveného úseku a výstupního zakřiveného úseku jsou v rovnoběžném směru a navazují na otvor potrubí o světlosti DN. Alespoň jedna podélná lamela je v ohybu proudění umístěna symetricky vzhledem k ose ohybu proudění nebo asymetricky vzhledem k ose ohybu proudění. Osa středního rovného úseku může být umístěna v horizontálním směru nebo ve vertikálním směru.

Podstatou vynálezu je navržení nového řešení usměrňovače proudění, který se skládá ze zahnutých lamel v počtu 1 až n kusů, který vytváří turbulentní proudění, eliminující poruchy průtoku jako jsou např. víry a snižují tlakovou ztrátu. Při turbulentním proudění je rychlostní profil velmi plochý a plyn proudí ve většině průtočného průřezu téměř stejnou rychlostí. Jaký druh proudění vznikl určuje tzv. Reynoldsovo číslo Re. Je to bezrozměrné číslo a teoretickou hranici určuje hodnota 2320. Pod touto hodnotou se mluví o laminámím proudění a nad touto hodnotou o turbulentním proudění. Cílem řešení vynálezu je, aby hodnota Rcd , tj. Reynoldsova čísla pro potrubí o světlosti DN, bylo výrazně vyšší, než je teoretická hranice. Počet, tvar a umístění lamel probíhá na základě měření pomocí metody numerické simulace a Particle Image Velocimetry - PIV. Tato metoda názorně ukáže, kde je vhodné umístit tyto lamely a jaká síla lamel je ideální. Počet lamel je možné měnit v závislosti na provozních podmínkách a zadání zákazníka.

Výhody řešení dle vynálezu jsou především vtom, že eliminuje vliv malých a velkých poruch vznikajících v potrubí před plynoměrem. Řešení je vhodné pro použití v úseku potrubí, kde dochází ke změně směru proudění plynu. Měřicí úsek s ultrazvukovými senzory je možné umístit prakticky okamžitě za tento usměrňovač. Navržený usměrňovač snižuje tlakovou ztrátu. Podstatnou výhodou je to, že nedochází k zanášení usměrňovače různými nečistotami, protože užité otvory jsou dostatečně velké.

Usměrňovač lze snadno a levně vyrobit, přičemž se může jednat i o velkosériovou výrobu. Usměrňovač je vhodný pro umístění uvnitř kompaktního ultrazvukového plynoměru a tím je možné dosažení požadované stavební délky, tj. rozměru mezi přírubami. Řešení eliminuje poruchy průtoku, které vznikají v ohybu, a tím zajišťuje vysokou přesnost a velký rozsah měření pomocí ultrazvukových senzorů. Usměrňovač nepotřebuje žádnou údržbu, protože je navržen z takových materiálů, jako např. hliník nebo plast, které nepodléhají opotřebení a nepůsobí na ně koroze. Tvar usměrňovače nedovoluje usazování nečistot. Životnost usměrňovače je stejná jako životnost ultrazvukového plynoměru, z tohoto důvodu nedochází ke zvyšování nákladů na vlastnictví plynoměru. Usměrňovač může být vyroben z jednoho materiálu a může být vyjímatelný z plynoměru, což výrazně zjednoduší separaci a následnou recyklaci po skončení doby životnosti.

Objasnění výkresů

Usměrňovač průtoku podle tohoto vynálezu je podrobněji popsán na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je příkladný usměrňovač průtoku, zejména pro zemní plyn zobrazen v axonometrickém pohledu. ,Obr. 2 znázorňuje segment s usměrňovačem v řezu a v půdorysu. Na obr. 3 je znázorněno delší provedení usměrňovače průtoku, zejména pro zemní plyn v axonometrickém pohledu. Konkrétní využití usměrňovačů se zahnutými lamelami je na obr. 4, kde jsou podélné řezy ultrazvukovými plynoměry.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příkladný usměrňovač průtoku v segmentu ohybu u ultrazvukového plynoměru, zobrazený na obr. 1 a 2., se skládá ze segmentu s ohybem 1 s třemi podélnými lamelami 2,3 a 4, Segment je formován

- 2 CZ 2020 - 381 A3 tak, aby umožnil změnu směru průtoku až o 180 ° tj. směr průtoku před segmentem je opačný než směr průtoku za segmentem. Segment se nasazuje na dvě rovnoběžná potrubí, tj. dva rovnoběžné kruhové otvory. Vzdálenost mezi potrubími je možné volit libovolně, na funkci usměrňovače průtoku nemá vzdálenost potrubí žádný vliv - obr. 3. Reynoldsovo číslo pro potrubí o světlosti DN je vyšší než 2320.

Lamely 2, 3, 4 jsou vytvarovány podle tvaru ohybu 1 segmentu a skládají se ze tří úseků - vstupní zakřivený úsek 6, střední rovný úsek 7 a výstupní zakřivený úsek 8. Rádius zakřivení je volen tak, aby vznikl požadovaný rychlostní profil. Umístění lamel 2, 3, 4 může být proporcionální nebojsou lamely 2, 3, 4 umístěny hustěji k jedné straně, aby bylo dosaženo optimálního rychlostního profilu. Usměrňovač lze umístit jak v horizontálním, tak vertikálním směru. Usměrňovač lze použít pro různé světlosti potrubí DN. Počty lamel 2, 3, 4 budou závislé podle světlosti DN. U nejmenších světlostí se bude jednat o 1 nebo 2 lamely, s větší světlosti bude počet lamel narůstat, např. 3 až n.

Usměrňovač je možné vyrábět z různých materiálů, např. plast, kov atd. Možné technologie výroby zahrnují 3D tisk plastů a kovů, svařování kovů, vstřikování plastů atd. Použitý materiál a technologie bude vždy záležet na požadavcích konkrétního trhu. Umístění lamel je dáno požadovaným měřicím rozsahem plynoměru.

Tento usměrňovač průtoku bude umístěn v kompaktním ultrazvukovém plynoměru viz přihláška CZPV 2019- 161.

Průmyslová využitelnost

Usměrňovač průtoku podle tohoto vynálezu nalezne uplatnění především pro měření plynů, v ultrazvukových průtokoměrech, zejména v distribuci zemního plynu v domácnostech, komunálních a průmyslových objektech a podobně.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Usměrňovač průtoku plynu v ohybu (1) proudění u ultrazvukového průtokoměru, vyznačující se tím, že ohyb (1) proudění je opatřen vstupním zakřiveným úsekem (6), středním rovným úsekem (7) a výstupním zakřiveným úsekem (8), kde osy vstupního zakřiveného úseku (6) a výstupního zakřiveného úseku (8) jsou v rovnoběžném směru a ve vnitřním prostoru (5) ohybu proudění je umístěna alespoň jedna dělicí podélná lamela (2), přičemž Reynoldsovo číslo pro potrubí o světlosti DN je vyšší než 2320.
2. 2. Usměrňovač podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň jedna podélná lamela (2) je v ohybu (1) proudění umístěna symetricky vzhledem k ose ohybu (1) proudění.
3. 3. Usměrňovač podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň jedna podélná lamela (2) je v ohybu (1) proudění umístěna asymetricky vzhledem k ose ohybu (1) proudění.
4. 4. Usměrňovač podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že střední rovný úsek (7) je umístěn v horizontálním směru.
5. 5. Usměrňovač podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že střední rovný úsek (7) je umístěn ve vertikálním směru.